考虑线路电感时光伏逆变器输出相位的同步方法

考虑线路电感时光伏逆变器输出相位的

同步方法摘要：配电网线路电感影响着光伏逆变器接入点电压相位检测。光伏逆变器输出电流相位跟踪实际电网电压相位，线路电感的存在会造成一般测量电网电压相位的方法产生误差，进而影响输出电流相位和输出功率因数，导致控制策略的困难。本文先分析了线路电感影响电网电压相位检测的原因，然后提出了解决这一问题的方法：基于多过零点检测的分析方法。关键词：光伏逆变器线路电感相位检测光伏逆变器一般工作在最大功率跟踪（MPPT）状态，此时其输出电流跟踪电网交流电压的相位并保持同步，理想功率因数为1。为保证光伏逆变器工作于功率因数为1的状态，输出电流必须准确检测并跟踪电网电压相位。光伏逆变单元一般通过检测三相电压过零点的方式来实现电流与电压的相位同步，具有实时性好、跟踪迅速等优点。但实际线路电感并不为零，对于高频电力电子开关电路，其感抗远大于电阻，可近似为纯感抗。光伏逆变单元除含有输出电感外，与电网之间还存在连接线路电感，因电流处于开关状态，将在线路电感上形成开关电压，致使交流采样电压不再具有光滑的余弦波形。一、光伏逆变单元的等效电路考虑线路电感时光伏逆变单元的等效电路如图1所示，采用典型的半桥拓扑结构。图1中，PV为光伏电池组，C1和C2为直流侧电容，Q1和Q2为IGBT开关管，V1为光伏逆变器接入配电网的电压检测点，I1为光伏逆变器输出电流检测点，L1为逆变器的输出电感，L2为线路电感，光伏逆变器通过L2并入电网电压节点VAC。二、三种逆变器技术方案分析目前应用于光伏电站的逆变器主要有三种类型，集中式、组串式和集散式[2]。其中集中式逆变器方案包含有直流汇流箱、直流配电柜、集中式逆变器及升压箱式变压器，结构如图1（a）所示。集中式逆变器设备功率在50KW到1000KW之间，功率器件采用大电流IGBT，系统拓扑结构采用DC-AC一级电力电子器件变换全桥逆变，工频隔离变压器的方式，防护等级一般为IP20。体积较大，室内立式安装。光伏阵列容量大多为1MW，采用两台500kW逆变器并联，每台逆变器一回MPPT，500kW所接组串一般约180串，由于不同光伏组串的输出电压往往不完全匹配（特别是光伏组串因多云、树荫、污渍等原因被部分遮挡时），MPPT跟踪效率较低，导致逆变的效率降低，发电量的下降。集中式逆变器前些年由于造价较低，技术成熟，目前已建成的大型地面光伏电站大多采用集中式逆变器，适用于日照均匀的大型厂房、荒漠电站、地面电站等大型光伏发电系统。组串式逆变器方案主要设备有组串式逆变器、交流汇流箱和箱式变压器，结构如图1（b）所示。组串式逆变器设备功率3kW至60KW，功率开关管采用小电流的MOSFET，拓扑结构采用DC-DC-BOOST升压和DC-AC全桥逆变两级电力电子器件变换，防护等级一般为IP65。体积较小，可室外臂挂式安装。采用组串式逆变器光伏阵列容量配置较灵活。组串式逆变器逆变器MPPT数量一般有2~3回，由于逆变器容量较小，按500kW容量折算，MPPT数量为集中式30倍以上，可根据组件布置、日照、组串模块差异进行优化调节，从而增加了发电量。组串式逆变器在相比集中式起步稍晚，随着分布式光伏电站的不断推广，组串式逆变器的优势逐步体现。主要适用于中小型屋顶光伏发电系统、小型地面电站、山地光伏、农光互补等新型光伏发电形式。集散式逆变器方案配置有带MPPT功能的直流汇流箱、直流配电柜、集中式逆变器和箱式变压器。采用集散式逆变器容量通常为1MW。集散式逆变器优势是结合了组串式和集中式逆变器的优点，直流汇流箱带MPPT功能，大大增加了MPPT数量，有效解决了因灰尘遮挡、阴影遮挡、组件劣化、倾角差异等组件失配带来的发电损失。同时1MW逆变器提升了直流输入电压、交流输出电压等级，并采用多种节能降耗理念，在提升发电效率的同时显著降低系统投资成本。同时在输出电能质量和并网性能方面，避免组串式逆变器的多机并联带来的谐波劣化，甚至与电网谐振的问题。集散式逆变器在近两年推出，目前应用较少，适用与大型地面光伏电站和部分山地光伏。三、光伏并网发电系统中逆变器的控制方法分析在上述分析过程中，认识到在光伏并网发电系统中逆变器的设计需满足各方面的要求，实际上光伏阵列和用户对逆变器均存在不同的要求。在这样的条件下，通过逆变器的设计，便需要掌握逆变器的控制方法。具体控制方法如下：（一） 控制总体思路对于光伏逆变器来说，在并网运行过程中需满足一些必要的条件，主要包括：其一，输出电压和电网电压需确保频率、相位以及幅值均保持一致；其二，输出电流和电网电压之间在频率、相位（功率因数为1）均保持一致；其三，输出需与电网的电能质量要求相满足［3］。而上述条件要想得到有效满足，便需要确保逆变器的控制策略的优化及先进性。从总体思路上分析，在控制光伏并网逆变器过程中，会划分为两大步骤：（1）获取系统功率点，也就是光伏阵列工作点；（2）使光伏逆变系统对电网的跟踪得到有效实现；并且，为使光伏逆变器能够安全可靠地在并网状态运行，系统需拥有防范孤岛效应的检测功能、保护功能以及控制功能等。（二） 光伏阵列工作点控制策略对于光伏阵列工作点来说，其控制的方法通常有两种：（1）恒电压控制方法，指的是把光伏阵列端电压稳定在某一个值的方法，进一步将系统功率点加以确立。这种方法的主要优势为控制简单，且能够确保系统具备很好的稳定性。然而，也存在一些不足，即：在温度发生比较大的变化的情况下，恒电压控制条件下的光伏阵列工作点会与最大功率点发生偏离。（2）MPPT控制方法，指的是经实时对系统进行改变的工作状态，对阵列的最大工作点进行跟踪，进一步使系统的最大功率输出得到有效实现。这属于一类自主寻优的方法，具备优良的动态性能，然而在稳定性方面和恒电压控制方法相比较为不足。应用MPPT方法过程中，通常会采取干扰观察、电导增量的方式进行；现状在研究MPPT方法过程中，主要体现在简单以及高稳定性的控制算法实现方法，比如：模糊逻辑控制以及神经元网络控制等，都有能够得到不错的跟踪控制效果［4］。（三）逆变器跟踪电网控制策略电网跟踪控制属于逆变系统控制的主要工作，这会对系统的输出电能质量以及运行效果产生直接性的影响。对于光伏并网逆变器来说，是在PWM逆变的基础上实现的，因此逆变器的控制归类为逆变器PWM电流控制方法。在？咖非线性控制方法方面，传统模式下会采取瞬时比较方法和三角波比较方法。其中，瞬时比较方法存在补偿电流误差不稳定的问题；三角波比较方法则在硬件方面显得复杂，存在偏大的跟随误差，同时在放大器的增益方面也存在局限性，电流响应和瞬时比较方法相比更缓慢。从现状来看，以载波周期为基础的闭环电流控制方优势更为突出，以无差拍PWM技术为例，该技术把目标误差在下一个控制周期内彻底处理，使稳态无静差效果得到有效实现；这种方法具备固定的开关频率，同时在动态响应方面的速度较快，在光伏并网数字控制中适用［5］。此外，在科学技术逐步发展的背景下，微处理器技术，比如：人工神经网络、模糊控制以及滑模变结构等，均能够在逆变器跟踪电网控制中发挥一定的控制作用，从而使部分控制问题得到有效解决，进一步使控制的效果增强。四、结语通过本文的探究，认识到光伏并网发电系统中逆变器的设计非常重要，由于逆变器属于光伏并网发电系统的一大关键部件，为确保光伏并网发电系统的安全，在设计过程中便需要满足电网的需求、光伏阵列的需要以及用户的需求等。在优化设计逆变器的基础上，还有必要注重对逆变器的控制，从光伏阵列工作点控制、逆变器跟踪电网控制等方面加以完善。相信从以上方面做好，光伏并网发电系统中逆变器的设计与控制均能够得